WO2015007041A1 - 一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置及监测方法。该检测装置包括前端耐高温探头（18）、中端光学传感装置（19）和后端控制平台（24）。前端耐高温探头（18）的头部置入液态金属（22）中，尾部与中端光学传感装置（19）同轴连接，连接处装有光学窗口（15）；中端光学传感装置（19）通过信号线（25）连接后端控制平台（24）。该检测装置及检测方法能够为质量控制和冶炼终点提供及时有效的消息，大大缩短了检测时间，探测距离可大范围调节，测量结果准确，能够实现对C、S、P等难测成分的测量。

Description

一种远距离冶金液态金属成分的原位、 在线检测装置及方法 技术领域
本发明涉及高温液态成分远距离在线监控技术领域，具体地说是一种远距离冶金 液态金属成分的原位、 在线检测装置及方法。
背景技术
金属及合金在冶炼过程中需要检测化学成分的变化， 以此控制产品质量， 并判断 冶炼终点。 目前， 由于缺乏先进有效的在线测量技术， 冶炼过程普遍采用人工取样和 制样的离线检测方式。例如，在炼钢过程中，对高温钢液的检测需要通过取样、冷却、 打磨、抛光等一系列过程后， 再拿到分析仪器上进行测量和分析， 整个过程需要花费 3〜5分钟时间， 占去冶炼时间的十分之一以上。 这种费时的离线检测方式不仅造成质 量控制落后， 同时也造成大量资源、能源的浪费， 并且检测设备价格昂贵、体积庞大， 难以适应现代冶炼生产要求。
激光诱导击穿光谱技术 （LIBS ) 是一种利用激光激发等离子体， 再利用等离子 体的发射光谱进行元素探测分析的技术。其不需要繁琐的样品预处理过程，对样品的 形貌、 尺寸要求不严格， 样品量消耗低， 同时适用于固体、 液体、 气体， 并且可以对 多元素进行同时测定， 因此在原位、 在线、 快速、 远程分析方面展现出卓越的应用价 值。
随着冶金行业生产模式的日益大型化、 高速化和连续化， 对原位、在线检测液态 金属成分技术的需求日渐迫切， 开始出现基于激光诱导击穿光谱技术 （LIBS ) 的在 线检测装置。
文献 ( Reinhard Noll, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Fundamentals and Applications, Springer 2012 ) 介绍了目前运用 LIBS技术的测设备的研究现状。 应用 于金属成分分析设备主要以近距离实验室设备为主， 其测量准确， 所需时间短（几十 秒）， 但设备体积庞大， 并且对环境要求较高， 不能很好的适应钢厂等复杂环境的在 线监测。
文献 （林晓梅， 曹继庆， 殷庆辉， 刘晓庆， 基于 LIBS技术的 AOD炉硅含量在 线分析， 镁合金， 2009 ( 1 )： 41-44 ) 介绍了一种利用 LIBS技术， 对 AOD炉中 Si 元素含量检测的装置， 其利用自身设计的取样器， 在炉中进行取样， 之后在设备的样 本池中进行成分检测， 检测距离较近， 结构设计相对复杂， 并且只能对单一元素进行 测量， 而无法对多种元素进行同时测量。
文献 ( G. Mathy, B. Monfort, B. Vanderheyden, V. Tusset, Liquid steel process: advanced on line sensors under development at CRM. Metall. Anal. 30(Suppl. 1), 6 - 14 (2010) )介绍了利用牛顿望远镜系统实现远距离 LIBS探测的 TeleLis系统， 其可以实 现在 3〜12米的范围内对所需测量样品进行元素成分分析。 但由于其前部光路为开放 式结构， 周围环境及空气会对光谱准确性造成影响， 并且 C、 S、 P等元素的特征谱 线在紫外区，开放式光路中的空气成分对其吸收强烈，无法对这些特征元素进行测量。
文献 ( Robert De Saro, Arel Weisberg, and Joe Craparo , In Situ, Real Time Measurement of Aluminum, Steel, and Glass Melt Chemistries Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy, 2005 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry 2005 ) 报道了在工业现场对铝合金溶液中 Al、 Cu、 Fe、 Mn等元素在线测量的装置， 其将探头插入炉体中， 直接对金属溶液表面进行测量。 但其探头内部含有光学结构， 需要对其进行保护， 探头结构复杂。
文献 ( Mohamed A. Khater, Laser-induced breakdown spectroscopy for light elements detection in steel: State of the art, Spectrochimica Acta Part B 81 (2013) 1 - 10 ) 介绍了 在金属冶炼中， 利用 LIBS技术对轻元素的监测状况， 因其特征光谱主要集中在紫外 与深紫外区， 目前主要方法为产生惰性气体环境或真空环境来进行测量， 而特殊气体 光路环境都相对较短， 并不能很好的适应工厂的恶劣环境。
综上所述， 目前并没有可以很好适用于钢铁冶炼工厂恶劣环境的多元素 （C、 S、 P等非金属元素） 同时测量的基于 LIBS技术的， 结构简便， 适用性强， 制造成本与 维护成本较低廉的成套在线监测设备， 现有设备在结构复杂性、环境需求、 可测量需 求等方面都存在不同的限制， 应用范围都相对狭窄。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种为质量控制和冶炼终点提供及时有效的信 息的冶金液态金属成分的原位、在线检测装置及方法， 大大缩短了检测时间， 探测距 离可大范围调节， 可灵活安装与使用， 大幅提高产品质量、 降低生产成本及降低能源 消耗； 并且应用双脉冲方法， 可以有效的提高光谱质量， 抑制噪声， 增强测量结果的 准确行与稳定性； 能够实现对 C、 S、 P等难测成分的测量。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
本发明具有以下有益效果及优点：
无需采样、 制样， 对高温熔体金属成分进行原位、 在线检测， 大大缩短了检测时 间， 为冶金生产过程提供实时信息， 大幅提高产品质量、 降低生产成本及降低能源消 耗；
采用插入式耐高温探头，避免熔体表面炉渣等杂质对测量影响，测量结果能够真 实反映被测物状态， 结果准确；
耐高温探头结构简单， 内部无其他光学结构， 设计与制造成本都相对低廉， 且可 根据不同需要进行不同长度的更换；
通过惰性气体环境的光路传输， 能够实现对 C、 S、 P等难测成分的测量； 测量距离根据所选耐高温探头长度可变化， 可实现 1.5〜10米或以上距离的探测， 可以灵活应用于不同的环境条件；
通过双脉冲合束的方式， 实现双脉冲激光对样品的等离子体激发，增强等离子体 信号的强度， 并降低噪声， 相对于单脉冲激发方式， 可以大幅提高检测的精度和稳定 度；
本发明适用范围广， 不仅可以应用于冶金熔体金属的测量， 也同样适用于其他普 通液体的测量， 以及气体、 固体物质的测量；
拆卸掉耐高温探头， 可作为远距离元素在线分析仪器使用， 可实现 1.5〜10米或 以上的远距离探测。
附图说明
图 1是本发明的总体结构示意图；
图 2是本发明中激光发生模块的结构示意图； 图 3是本发明中远程扩束聚焦模块和远程信号收集模块的结构示意图； 图 4是本发明中实时成像模块和光纤耦合模块的结构示意图。
其中， 1 为激光器电源和控制单元、 2 为时间同步控制器、 3 进气控制单元、 4 位移平台控制单元、 5为温度控制单元、 6为激光发生模块、 7为远程扩束聚焦模块、 8为激光测距模块、 9为第一反射镜、 10为第二反射镜、 11为远程信号收集模块、 12 为实时成像模块、 13为光纤耦合模块、 14为光纤光谱仪、 15为光学窗口、 16为耐高 温探头进气管、 17为耐高温探头出气管、 18为耐高温探头、 19为中端光学传感装置、 20为分光片、 21为光纤、 22为液态金属、 23为液态金属表面、 24为后端控制平台、 25为信号线、 26为第一激光头、 27为第二激光头、 28为第一半波片、 29为第二半 波片、 30为第一偏振分光片、 31为第二偏振分光片、 32为第一移动底座、 33为第一 发散透镜、 34为第二发散透镜、 35为第一会聚透镜、 36为第二会聚透镜、 37为第二 移动底座、 38为双曲面反射镜、 39为抛物面反射镜、 40为第三发散透镜、 41为第三 会聚透镜、 42为第四会聚透镜、 43为消色差透镜、 44为 CCD。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本专利做进一步说明。
如图 1所示， 为本发明的总体结构示意图， 包括前端耐高温光学探头 18、 中端光学传感装置 19以及后端控制平台 24， 其中：
前端耐高温探头 18的前端置入冶金液态金属 22中， 内部形成一个密封的腔体， 通过气管 16， 充入惰性气体， 形成一个惰性气体的光路环境； 中端光学传感装置 19 接收后端控制平台 24的操作信号， 首先通过激光测距部分 8测得与冶金液态金属表 面 23之间的距离，根据反馈信号调节远程扩束聚焦模块 Ί与远程信号收集模块 11中 的第一移动底座 34与第二移动底座 37，使探测激光聚焦至液态金属表面 23，信号收 集点在同一位置； 激光器接收后端控制平台的触发信号， 产生探测激光， 并经过远程 扩束聚焦模块 7与反射镜， 与远程信号收集模块 11实现共轴向， 聚焦至液态金属表 面 23， 产生等离子体； 并通过实时成像模块 12， 实时观察聚焦点位置形貌与产生的 等离子体情况； 产生的等离子体信号光， 经过远程信号收集模块 11后， 经过光纤耦 合模块 13与光纤 21， 进入光纤光谱仪 14， 完成对等离子体光谱信号的采集。
前端耐高温探头 18，其前端置入冶金液态金属 22中，内部形成一个密封的空间， 充入惰性气体， 实现一个惰性气体的光路环境， 其内部无光学元件， 容易更换； 前端 耐高温探头包括外部耐火材料部分， 充气部分， 其头部为开口式结构， 尾部与中端光 学传感装置连接， 当其插入冶金液态金属中时， 其内部形成一个密封腔体， 通过充气 部分， 对其内部充入惰性气体， 形成一个惰性气体空间， 使激发激光与收集的等离子 体光的光路处于惰性气体环境中。
中端光学传感装置 19， 通过望远镜结构实现远距离等离子体激发与信号光收集 功能， 并实现激发与收集光路同轴， 探测距离可根据需要进行调节， 可自动对焦， 探 测物表面形态可实时观测功能的远程激光诱导击穿光谱传感装置，其中包括激光发生 模块 6， 远程扩束聚焦模块 7， 远程信号收集模块 11， 共轴调节部分 （第一反射镜 9 与第二反射镜 10)， 激光测距模块 8， 实时成像模块 12， 光谱采集部分， 其激发与收 集光路空间为前端耐高温探头形成的惰性气体环境；
中端光学传感装置中激光发生模块 6 通过接收后端控制平台的激光发生信号生 成单束激光光束或双束同轴激光光束，光束的出射方向为远程扩束聚焦模块 7的轴线 方向， 激光通过远程扩束聚焦模块 7后， 入射进共轴调节部分， 经过共轴调节部分， 实现激发光路光轴与远程信号收集模块 11光轴同轴， 使激光通过前端耐高温探头 18 的惰性气体光路环境， 聚焦到被测液态金属表面 23， 形成等离子体； 激光测距模块 8 所发出激光与从远程扩束聚焦模块 7出射的激发激光成 90度的方向入射进共轴调节 部分， 经过共轴调节部分， 实现与激发激光光路和远程信号收集模块 11 同轴向， 射 向液态金属表面 23 ; 产生的等离子体信号， 通过前端耐高温探头 18的惰性气体光路 环境， 进入到远程信号收集模块 11， 经过远程信号收集模块 11后， 经过分光片 20， 部分等离子体信号光入射进实时成像模块 12， 实现对探测点的表面形貌实时监测， 剩余部分光， 入射进光谱采集部分， 实现对等离子体信号光的采集； 分光片 20与远 程信号收集模块 11的光轴方向成 45度角。 中端光学传感装置 19整体为恒温密封箱 体， 在同轴光路方向， 有光学窗口 15。
温度控制模块 5通过信号线 25连接后端控制平台 24， 其由温度传感器和温度调 节装置组成， 用于对中端光学传感装置 19的内部温度实时监测与调节， 使其保持在 所需求的温度范围内。
实时成像模块 12接收通过分光片 20反射的部分信号光与场景背景光，并反馈到 后端控制平台 24， 实时显示液态金属表面 23的形貌与等离子体形成的情况， 并根据 实际情况对聚焦与收集位置进行更细的实时调整。
光谱采集部分包括光纤耦合模块 13， 光纤 21， 光谱仪 14组成； 光纤耦合模块 13安置在经过分光片 20后的等离子体信号光的光轴上， 光纤 21与光纤耦合模块 13 和光纤光谱仪 14相连； 经分光片 20后的信号光， 入射至光纤耦合模块 13的光轴上， 经过光纤耦合模块 13，使信号光耦合进光纤 21，后进入光谱仪 14实现对信号光的采 集。
光谱采集部分也可直接由光学耦合系统和光栅光谱仪组成，光学耦合系统安置在 经分光片后的等离子体信号光的光轴上，信号光经过光学耦合系统后，进入到光栅光 谱仪中实现信号光的采集。
如图 2所示， 为本发明中激光发生模块 6 的结构示意图， 所述激光发生模块 6 包括激光产生与合束部分， 包括第一激光头 26、 第二激光头 27、 第一半波片 28、 第 二半波片 29、 第一偏振分光片 30、 第二偏振分光片 31 ; 其中第一半波片 28与第一 偏振分光片 30依次放在第一激光头 26所发出激光的入射方向，分别激光光线方向成 垂直与布儒斯特角角度； 第二半波片 29与第二偏振分光片 31放置在第二激光头 27 所发出激光的入射方向， 分别与激光光线方向成垂直与布儒斯特角角度； 第一偏振分 光片 30将第一激光头 26所发出的脉冲激光反射至第二偏振分光片 31， 通过第二偏 振分光片 31后射向远程聚焦部分的光轴方向；第二激光头 27所发出的脉冲激光通过 第二半波片 29与第二偏振分光片 31射向远程聚焦部分的光轴方向； 实现合束功能。
通过双脉冲合束的方式， 实现双脉冲激光对样品的等离子体激发，增强等离子体 信号的强度， 并降低噪声， 相对于单脉冲激发方式， 可以大幅提高检测的精度和稳定 度。
如实现单光束激光生成，可去掉第一激光头 26、第一半波片 28、第二半波片 29、 第一偏振分光片 30、 第二偏振分光片 31， 只保留第二激光头 27， 其激光出射方向为 远程扩束聚焦模块 Ί的光轴方向。
第一偏振分光片 30与第二偏振分光片 31的合束功能，也可用反射镜与偏振分光 棱镜的组合来实现。
如图 3所示， 为本发明中远程扩束聚焦模块 7和远程信号收集模块 11的结构示 意图。 所述远程扩束聚焦模块 7包括第一发散透镜 33、 第二发散透镜 34、 第一汇聚 透镜 35、 第二汇聚透镜 36、 第一移动底座 32; 第一发散透镜 33、 第二发散透镜 34、 第一会聚透镜 35与第二会聚透镜 36同轴，第一发散透镜 33与第二发散透镜 34安置 在第一移动底座 32上； 第一移动底座 32在远程扩束聚焦模块的光轴方向可以移动； 同轴调整部分包括第一反射镜 9与第二反射镜 10， 其中第一反射镜 9安置在远程扩 束聚焦模块 7的光轴上， 与其光轴方向成 45度，第二反射镜 10安置在远程信号收集 模块 11的光轴上， 与其光轴成 45度， 第一反射镜 9与第二反射镜 10的中心连线与 远程扩束聚焦模块 7、 远程信号收集模块 11 的光轴方向垂直； 激发激光经过第一反 射镜 9与第二反射镜 10后， 实现与远程收集模块同轴向， 第一反射镜 9为中心带孔 反射镜或激光二向色镜；激光测距部分 8所发出的测距激光方向与远程扩束聚焦模块 7的光轴方向成 90度， 入射至同轴调整部分第一反射镜 9的中心； 远程信号收集模 块由双曲面反射镜 38、 抛物面反射镜 39、 第二移动底座 37组成； 双曲面反射镜 38 与抛物面反射镜 39 同轴， 即其轴向为远程信号收集模块 11 的轴向， 双曲面反射镜 38安置在第二移动底座 37上； 第二移动底座 37在光轴方向可移动， 通过调节第二 移动底座 37在光轴方向上的位置， 实现不同焦点位置的光信号的收集。 等离子体信 号光通过前端高温探头的惰性气体环境， 经过抛物面反射镜 39 与双曲面反射镜 38 形成平行光束。
第一移动底座 32在远程扩束聚焦模块 7的光轴方向可移动， 通过调节第一移动 底座 32在光轴方向的位置， 聚焦调整， 实现脉冲激光聚焦位置在 1.5〜10米以上范围 连续可调。
其透镜组成， 也可有 3〜10片透镜组成， 实现远程扩束聚焦功能。
同轴调整部分包括第一反射镜 9与第二反射镜 10， 其中第一反射镜 9安置在远 程扩束聚焦模块 7的光轴上， 与其光轴方向成 45度，第二反射镜 10安置在远程信号 收集模块 11的光轴上， 与其光轴成 45度， 第一反射镜 9与第二反射镜 10的中心连 线与远程扩束聚焦模块 7、 远程信号收集模块 11 的轴线相垂直， 激发激光经过第一 反射镜 9与第二反射镜 10后， 实现与远程收集模块同轴向。
第一反射镜 9为激光二向色镜或中心开孔反射镜； 如无激光测距系统 8， 反射镜 可为普通光学反射镜。
激光测距部分 8所发出的测距激光方向与远程扩束聚焦模块 7的光轴方向成 90 度， 沿第一反射镜 9与第二反射镜 10的中心连线， 入射至同轴调整部分反射镜 9的 中心， 经过第二反射镜 10后， 实现与等离子体激发光束光路和远程信号收集模块 11 光路同轴向， 射向液态金属表面， 其测距信号光按原光路返回至激光测距仪， 实现激 光测距功能。
第二移动底座 37在光轴方向可移动，通过调节第二移动底座 37在光轴方向上的 位置， 聚焦调整， 实现不同焦点位置的光信号的收集。
双曲面反射镜 38与抛物面反射镜 39也可由一组球面反射镜和非球面反射镜组 成。
如图 4所示， 为本发明中实时成像部分 12与光纤耦合模块 13的结构示意图。光 纤耦合模块 13由第三发散透镜 40， 第三会聚透镜 41与第四会聚透镜 42组成， 共轴 平行放置， 其光轴与远程信号收集模块光轴重合。
实时成像模块 12由消色差透镜 43与 CCD44组成； 消色差透镜 40与 CCD44共 轴放置， 其轴线方向与远程信号收集模块 11的光轴方向垂直， 并通过分光片 20的中 心。
前端耐高温探头 18与中端光学传感装置为一整体， 安装在可以垂直方向移动的 液压平台上。
后端控制平台， 作为人工控制、 操作和显示平台， 置于控制室内， 与中端光学传 感装置通过信号线连接，控制中端光学传感装置的激光信号，通过激光测距部分与实 时成像部分的信息， 控制远程扩束聚焦模块 7与远程信号收集模块 11中的位移平台 等的移动， 接收中端光学传感装置发送的电信号进行处理， 信号可远距离传输； 控制 前端耐高温探头 18气的流量。
本发明的后端控制平台部分控制激光测距部分进行液态金属表面距离测量，根据 测量所得信息， 进行探测距离与收集距离的调整， 以及聚焦调整， 控制激光信号的发 生， 探测信号的采集， 控制充气的流量， 实时显示探测点表面形态信息与等离子体产 生情况， 同时对探测数据进行处理和分析， 以及提供人工操作和显示功能。 时间同步 控制器控制两束激光脉冲的发射时间延时及光谱仪探测信号的采集时间。通过优化两 束激光之间的时间延时与光谱仪信号采集时间可以提高光谱信号的信噪比。光谱仪探 测信号传输到计算机中， 在计算机中对数据进行去噪、 去背景、 寻峰等处理过程， 获 得被测成分特征谱线的强度。通过特征谱线的强度及已经建立的强度——浓度标定曲 线便可以计算出被测成分的浓度。
聚焦调整的步骤如下：
设激光测距模块 8到第二反射镜 10中心的距离为 1， 为一定值， 第二反射镜 10 到所测液态金属表面 23的距离为 s， 则激光测距模块 8测得的量 a=l+s;
第一移动底座 32在其自身移动的范围内，其移动的位置值 xl与使激光聚焦的位 置值 si成一单调函数， 有唯一确定值与其对应， 设其对应关系为 xl=fl(sl)， 而 si可 表示为 s与一常数偏移量 11的加和形式， 即 sl=s+ll， 则 xl=fl(s+ll);
第二移动底座 37在其自身移动的范围内，其移动的位置值 x2与信号光收集位置 的位置值 s2也成一单调函数， 有唯一确定值与其对应， 设其对应关系为 x2=£2(S2)， 而 s2也可表示为 s与一常数偏移量 12的加和形式， 即 s2=s+12， 则 x2=£2(;s+12); 通过对 xl=fl(s+ll)与 x2=£2(s+12)函数进行标定， 则可通过已知 s， 得到 xl与 x2 的值， 即可通过激光测距得到的 a值， 来得到第一移动底座 32与第二移动底座 37所 要移动的位置 xl与 x2的值， 实现聚焦调整。
通过上述方法与步骤， 可以实现自动对焦功能， 即通过激光测距模块 8的测量反 馈信号， 自动调节远程扩束聚焦模块 7的激光聚焦位置与远程信号收集模块 11的信 号收集位置， 使其重合在所要测量的液态金属表面 23上。
本发明装置即可以实现原位检测， 也可以实现在线检测。 原位 （in-situ) 和在线 (online)的区别在于， 原位检测是指在不拆卸原设备、 不干扰原生产过程下的检测， 强调空间性； 在线检测是指对生产线上的检测对象进行瞬间检测， 强调时间性。采用 本发明装置可以实现不干扰生产过程的瞬间快速检测。
以检测冶金液态钢为例， 本发明装置的工作过程如下：
首先通过升降机构将前端耐高温光学探头 18慢慢探入熔体 （冶金液态金属 22) 中， 充气管 16与充气管 17开启气体流量为 30 L/min, 形成惰性气体光路环境。前端 耐高温光学探头 18插入液面深度在 20cm至 30cm之间时固定位置， 激光测距部分 18开始工作，发出测距激光，测得耐高温探头 18中所要测量的冶金液态金属表面 23 位置， 反馈给后端控制平台。
后端控制平台通过激光测距部分测得的距离位置，对远程扩束聚焦模块 7和远程 信号收集模块 11中的第一移动底座 32与第二移动底座 37进行位置调节， 使测量激 光的聚焦位置和远程信号收集的位置相同， 并在冶金液态金属表面 23上。
位置调整完毕后，第一激光头 26与第二激光头 27接收后端控制平台的信号，发 出激光； 第一激光头 26所发出的激光经过第一半波片 28、第一偏振分光片 30、第二 偏振分光片 31 以远程扩束聚焦模块 7的光轴方向， 入射进远程扩束聚焦模块 7; 第 二激光头 27所发出的激光经过第二半波片 29和第二偏振分光片 31， 实现与第一激 光头 26所发出的激光合束， 同样以远程扩束聚焦模块 7的光轴方向入射进远程扩束 聚焦模块 7。
合束后的两束激光， 经过远程扩束聚焦模块 7， 形成直径较大的聚焦宽光束， 入 射至共轴调节部分的第一反射镜 9， 第一反射镜 9安置在远程扩束聚焦模块 7的光轴 方向， 并与其光轴成 45度； 经过第一反射镜 9后的激光被反射至第二反射镜 10， 第 二反射镜 10被安置在远程信号收集模块 11的光轴方向， 并与其光轴成 45度， 并且 第一反射镜 9与第二反射镜 10的中心连线与远程扩束聚焦模块 7、 远程信号收集模 块 11 的光轴方向垂直， 第二反射镜 10把两束聚焦激光反射至远程信号收集模块 11 的光轴方向， 实现激发与收集光路同轴向。
两束合束激光被经过第二反射镜 10与光学窗口 15，聚焦至冶金液态金属表面 23， 形成等离子体； 等离子体发射的光线， 经过光学窗口 15后， 入射进远程信号收集模 块 11， 在远程信号收集模块 11中， 经过抛物面反射镜 39与双曲面反射镜 38， 形成 平行光束。
分光片 20安置在远程信号收集模块 11的光轴方向， 并与光轴成 45度； 平行信 号光经过分光片 20后， 部分被反射至实时显示系统 12， 可以实时观测采样点表面的 形貌与等离子体形成情况， 反馈给后端控制平台， 可对聚焦位置进行细小调整； 剩余 部分平行信号光入射进同样安置在远程信号收集模块 11光轴方向上的光纤耦合模块 13， 经过光纤 21后进入光谱仪 14， 完成等离子体信号光的采集。
光谱仪将收集到的等离子体发射光线进行分光和光电转换，将转换的电信号通过 电缆传送给控制台进行数据分析和处理。 中端光学传感装置 19为恒温箱体， 将温度 控制在 30°C以下。

Claims

权 利 要 求 书
1. 一种远距离冶金液态金属成分的原位、 在线检测装置， 其特征在于： 前端耐高温探头 (18)，其头部置入液态金属 (22)中，尾部与中端光学传感装置 (19) 同轴连接，连接处装有光学窗口 (15)， 中端光学传感装置 (19)通过信号线 (25)连接后端 控制平台 (24)。
2. 根据权利要求 1所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于： 所述中端光学传感装置 (19)中， 在激光发生模块 (6)发出激光光束的轴线 方向同轴设置远程扩束聚焦模块 (7);
第一反射镜 (9)设置在远程扩束聚焦模块 (7)出射方向的光轴上，与其光轴成 45度 角， 第二反射镜 (10)设置在远程信号收集模块 (11)入射方向的光轴上， 与其光轴成 45 度角，第一反射镜 (9)与第二反射镜 (10)的中心连线与远程扩束聚焦模块 (7)、远程信号 收集模块 (11)的轴线垂直；
在远程信号收集模块 (11)出射方向的光轴上分别设置分光片 (20)和光纤耦合模块 (13), 光纤耦合模块 (13)通过光纤 (21)连接光纤光谱仪 (14)， 光纤光谱仪 (14)通过信号 线 (25)连接后端控制平台 (24);
实时成像模块 (12)垂直设置于分光片 (20)反射方向的光轴上， 并通过信号线 (25) 连接后端控制平台 (24)。
3. 根据权利要求 1所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于： 所述前端耐高温探头 (18)为倒锥形， 内部充入惰性气体， 使激发的激光 光束与收集的等离子体信号光的光路处于密闭惰性气体环境。
4. 根据权利要求 1或 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、 在线检测 装置， 其特征在于： 所述后端控制平台 (24)包括激光器电源和控制单元 (1)、 时间同步 控制器 (2)、 进气控制单元 (3)和位移平台控制单元 (4)， 上述单元均通过信号线 (25)连 接中端光学传感装置 (19)。
5. 根据权利要求 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于，还包括在第一反射镜 (9)与第二反射镜 (10)中心连线方向上设置激光测距 模块 (8)， 激光测距模块 (8)通过信号线 (25)连接后端控制平台 (24)。
6. 根据权利要求 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于， 所述中端光学传感装置 (19)中， 还包括温度控制模块 (5)， 并通过信号线 (25)连接后端控制平台 (24); 所述温度控制模块 (5)包括温度传感器和温度调节装置， 用于对中端光学传感装置 (19)的内部温度实时监测与调节。
7. 根据权利要求 1或 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、 在线检测 装置， 其特征在于， 所述激光发生模块 (6)包括两组激光头、 半波片和偏振分光片； 所述半波片同轴设置于激光头的激光出射方向的光轴上， 且垂直于光轴； 所述偏振分光片同轴设置于半波片的出射方向的光轴上，与光轴成布儒斯特角 角度， 且第二偏振分光片 (31)能够接收到第一偏振分光片 (30)反射的激光光束。
8. 根据权利要求 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于，所述远程扩束聚焦模块 (7)包括第一移动底座 (32)以及在激光发生模块 (6) 的出射方向同轴设置的发散透镜和会聚透镜； 所述第一移动底座 (32)在激光发生模块 (6)出射方向的光轴上可移动；
所述发散透镜垂直于光轴设置于第一移动底座 (32)内；
所述会聚透镜垂直于光轴设置于第一移动底座 (32)与第一反射镜 (9)之间。
9. 根据权利要求 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于， 所述远程信号收集模块 (11)由第二移动底座 (37)、双曲面反射镜 (38)和抛 物面反射镜 (39)组成， 并通过信号线 (25)与后端控制平台 (24)连接；
所述第二移动底座 (32)在第二反射镜 (10)的出射方向的光轴上可移动；
所述双曲面反射镜 (38)平行且与第二反射镜 (10)的出射方向同轴， 且设置于第二 移动底座 (37)内；
所述抛物面反射镜 (39)设置于双曲面反射镜 (38)与分光片之间， 且中心留有中心 孔。
10. 根据权利要求 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于， 所述远程信号收集模块 (11)由第二移动底座 (37)、 球面反射镜和非球面 反射镜组成， 并通过信号线 (25)与后端控制平台 (24)连接；
所述第二移动底座 (32)在第二反射镜 (10)的出射方向的光轴上可移动；
所述球面反射镜平行且与第二反射镜 (10)的出射方向同轴， 且设置于第二移动底 座 (37)内；
所述非球面反射镜设置于球面反射镜与分光片之间， 且中心留有中心孔。
11. 根据权利要求 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于， 所述光纤耦合模块 (13)包括依次共轴平行放置的第三发散透镜 (40)、 第 三会聚透镜 (41)和第四会聚透镜 (42)， 其光轴与远程信号收集模块光轴重合。
12. 根据权利要求 2所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测装置， 其特征在于， 所述实时成像模块 (12)包括消色差透镜 (43)和 CCD(44); 消色差透镜 (43) 与 CCD(44)共轴放置， 其轴线方向与远程信号收集模块 (11)的光轴方向垂直， 并通过 分光片 (20)的中心。
13. 一种远距离冶金液态金属成分的原位、 在线检测方法， 其特征在于， 包括以 下步骤：
将前端耐高温光学探头 (18)头部置入液态金属 (22)中，通过耐高温探头进气管 (16) 充入惰性气体， 形成密闭惰性气体环境；
激光测距模块 (8)发射测距激光，经过第一反射镜 (9)和第二反射镜 (10)后照射到液 态金属表面 (23)， 测得液态金属表面 (23)的位置信息， 反馈到后端控制平台 (24); 后端控制平台 (24)通过激光测距模块 (8)反馈的液态金属表面 (23)位置信息， 对第 一移动底座 (32)和第二移动底座 (37)进行聚焦调整， 使激发等离子体的激光聚焦焦点 位置与远程信号收集的位置重合于液态金属表面 (23);
激光发生模块 (6)接收后端控制平台 (24)的激光发生信号， 发出激光光束， 通过远 程扩束聚焦模块 (7)后照射到第一反射镜 (9)， 反射后的激光光束通过第二反射镜 (10)， 并通过前端耐高温探头 (18)的惰性气体环境照射到液态金属表面 (23)， 产生等离子体 信号光；
产生的等离子体信号光通过前端耐高温探头 (18)的惰性气体环境传送到远程信 号收集模块 (11)， 通过远程信号收集模块 (11)中的抛物面反射镜 (39)与双曲面反射镜 (38)形成平行等离子体信号光， 并通过分光片 (20)传送到光纤耦合模块 (13);
平行等离子体信号光通过光纤耦合模块 (13)后， 通过光纤 (21)传送到光纤光谱仪 (14)进行光信号采集与光电转换， 并反馈给后端控制平台 (24)， 完成等离子体信号光 的采集。
14. 根据权利要求 13所述的一种远距离冶金液态金属成分的原位、 在线检测方 法， 其特征在于， 还包括实时成像模块 (12)接收通过分光片 (20)反射的部分信号光与 场景背景光， 并反馈到后端控制平台 (24)， 实时显示液态金属表面 (23)的形貌与等离 子体形成的情况， 并对聚焦与收集位置进行实时调整。
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